Опыт Штерна-Герлаха, проведенный в 1922 году немецкими физиками Отто Штерном и Вальтером Герлахом, стал настоящим прорывом в понимании квантовой природы реальности. Этот эксперимент продемонстрировал дискретность квантовых состояний на атомарном уровне и положил начало современным представлениям о квантовании физических величин.
1. Предпосылки и подготовка к опыту Штерна-Герлаха
В начале XX века активно развивалась квантовая теория строения атома. Согласно представлениям того времени, электроны в атоме могут находиться только на строго определенных орбиталях с дискретными значениями энергии. Это явление получило название квантования энергетических уровней . Однако до сих пор не было прямых экспериментальных доказательств реальности подобного квантования в атомных системах.
Идея провести соответствующий эксперимент появилась у немецкого физика Отто Штерна в 1921 году. В то время он работал во Франкфуртском университете под руководством известного физика Макса Борна. Вместе со своим коллегой Вальтером Герлахом из института экспериментальной физики того же университета Штерн решил проверить гипотезу о квантовании углового момента атомов.
Цель опыта Штерна-Герлаха
- Проверить гипотезу о дискретной природе углового момента атомов
- Получить прямое экспериментальное подтверждение квантования в атомных системах
- Исследовать поведение атомов в неоднородном магнитном поле
В качестве объекта исследования были выбраны атомы серебра. Согласно теоретическим представлениям, обладающие магнитным моментом атомы должны отклоняться от прямолинейной траектории в неоднородном магнитном поле. При этом направление их отклонения зависит от ориентации магнитного момента.
Если бы атомы вели себя как классические вращающиеся объекты, можно было бы ожидать случайного распределения их магнитных моментов и плавного распределения интенсивности на детекторе, - писал позже Штерн. - Однако наша теория предсказывала дискретные значения.
Экспериментальная установка
Установка для проведения опыта Штерна-Герлаха включала в себя:
- Источник атомов серебра
- Неоднородное магнитное поле с регулируемой напряженностью
- Детектор для регистрации отклоненных атомов (фотопластинка)
Атомы серебра, проходя через область неоднородного магнитного поля, должны были отклоняться на угол, зависящий от ориентации их магнитного момента. Регистрируя пространственное распределение атомов на детекторе, можно было определить степень этого отклонения.
| Магнитное поле | До 1.5 Тл |
| Размер щели | 0.05 мм |
| Расстояние до детектора | 0.5 м |
Опыт Штерна- Герлаха был нацелен на получение прямых свидетельств реальности представлений о квантовой природе атомных систем. Его результаты оказали значительное влияние на всю дальнейшую физику XX века.
